Введение к работе
Актуальность темы. Среди передовых научно-технических программ особое внимание уделяется новейшим плазменным и фотонным технологиям высокой плотности мощности. С использованием плазмы – как активной среды энергетических и технологических установок – связан целый ряд важных проектов, призванных внести существенные изменения в общую энергетику, высокую технологию машино-приборостроительного цикла; с созданием же ряда новых плазменно-фотонных устройств и систем сопряжено расширение как диапазона изменения основных параметров плазмы, так и номенклатуры плазмообразующих веществ. Для исследований и разработок перспективных плазменных систем, физического и численного моделирования рабочих процессов в них, особенно актуальна проблема создания банков данных по термодинамическим, оптическим, переносным и др. физико-химическим свойствам плазмы металлов, диэлектриков и газов. При значительной потребности в характеристиках плазмы сложного химического состава, в литературе имеется весьма ограниченный объем информации такого рода. Это связано, во-первых, со значительными экспериментально-теоретическими трудностями, возникающими при многофакторном анализе свойств плазмы высокой концентрации (n0 > 1017 см-3) из-за мало изученного влияния плазменного окружения на внутренние состояния атомов и ионов (т.н. неидеальность плазмы); во-вторых, с высокой трудоемкостью вычислений; в-третьих, с известной проблемой представления, автоматизированной обработки, хранения и использования больших массивов необходимой информации.
Исходя из реальных потребностей численного и физического моделирования рабочих процессов плазменных и фотонных энергоустановок в формализме радиационной газо- и плазмодинамики, физики взаимодействия мощного излучения с веществом и др., практический интерес представляют данные об ионизационном составе, термодинамических функциях, оптических и транспортных (переносных) характеристиках плазмы сложного химического и ионизационного состава в широком диапазоне изменения ее параметров – температуры (T~10–1–103 эВ), плотности (r~10–4–102 кг/м3) и энергии квантов (hn~ 10–1–103 эВ).
Получение надежной количественной информации по каждому из этих разделов является самостоятельной экспериментальной и расчетно-теоретической задачей, а результат исследований и разработок – генерация предметных баз данных. Совокупность тематических баз данных отдельно по каждому разделу должна формировать банки данных общих физико-химических характеристик плазмы; генерация таких банков данных является сложной задачей, т.к. ведется двумя путями: как расчетно-теоретическим, так и экспериментальным. Дополнительное требование к системе наполнения банков данных – ее универсальность (невозможно предсказать полную номенклатуру элементов, веществ и соединений, данные о которых могут потребоваться в конкретном инженерном анализе и проектировании широкого спектра плазменных и фотонных устройств и систем). Таким образом, задача создания банков данных по термодинамическим, оптическим и транспортным свойствам многокомпонентной плазмы (БД «ТОТ МГТУ-2008»), заключается в:
1) создании комплекса программ для расчета оптических, переносных и термодинамических свойств многокомпонентной плазмы в широком диапазоне изменения основных ее параметров (температуры, концентрации частиц и энергий квантов). Такой комплекс должен удовлетворять следующим требованиям: во-первых, выполнять большое число чисто вычислительных операций (учет только элементарных радиационных процессов требует вычислять сечения и другие сопряженные характеристики как минимум ~ 104 переходов); во-вторых – поддерживать достаточно объемную базу данных по квантовомеханическим состояниям атомов и ионов (до 104 состояний на каждый ион, сотни тысяч состояний на элемент); в-третьих – быть открытым для дальнейшего развития и модификации, позволять с малыми затратами заменять или добавлять новые физические методики расчета и анализа; в-четвертых – позволять получать результаты с минимальными затратами времени;
2) генерации энциклопедического автоматизированного банка данных с открытым входом по термодинамическим, оптическим, транспортным свойствам многокомпонентной плазмы на основе разрабатываемого комплекса программ. Такой банк данных должен представлять информационную систему, которая позволяла бы получать необходимую справочную информацию в максимально удобном виде, быть легко модифицируемой в соответствии с изменением расчетных моделей, удовлетворять современным требованиям и стандартам, быть сопрягаемой с информационными системами высокого уровня.
Цель работы – создание банка экспериментальных и расчетно-теоретических данных термодинамических, оптических и транспортных характеристик многокомпонентной плазмы в широком диапазоне изменения основных параметров: температуры (T~10–1–103 эВ), плотности (r~10–4–102 кг/м3) и энергии квантов (hn~ 10–1–103 эВ) с организацией доступа к системе расчетов через сеть Интернет.
Основными задачами, решаемыми в работе, являются:
- разработка комплекса методик расчета ионизационного состава, термодинамических функций и транспортных характеристик равновесной неидеальной многокомпонентной атомарной плазмы, позволяющего проводить многопараметрическую оптимизацию рабочих процессов в плазменных технологических и энергетических установках, использующих в качестве активных сред плазмообразующие вещества сложного химического состава;
- создание комплекса служебных программ для автоматизированной системы научных и инженерных расчетов ионизационного состава, термодинамических функций, оптических и транспортных характеристик равновесной неидеальной многокомпонентной атомарной плазмы (АСНИР «ТОТ МГТУ-2008») с применение объектно-ориентированного подхода и сопряжением с объемными базами данных для задач численного моделирования и многопараметрического анализа рабочих процессов в плазменных энергетических установках высокой плотности мощности;
- создание Интернет-приложения по удаленному доступу к разработанному программному комплексу;
- создание широкомасштабных банков расчетно-теоретических и экспериментальных данных по ионизационному составу, термодинамическим, транспортным, оптическим характеристикам газово-плазменных рабочих сред энергетических установок высокой плотности мощности (в том числе – инертных газов, газовых смесей сложного химического состава, сложных диэлектриков, полимеров, композитов, металлов) в широком диапазоне параметров (температур 0,1–100 эВ, плотностей 10–4–102 кг/м3, энергий квантов 0,1 – 103 эВ…)
Научная новизна результатов диссертации заключается в следующем:
1. На основе анализа теоретических моделей разработан оптимизированный комплекс методик для массовых расчетов ионизационного состава, термодинамических функций, оптических и транспортных характеристик равновесной неидеальной многокомпонентной атомарной плазмы, позволяющий проводить многопараметрическую оптимизацию рабочих процессов в технологических и энергетических плазменных установках, использующих в качестве активных сред различные плазмообразующие вещества в широком диапазоне изменения основных параметров: температуры (Т~5–5000 кК), плотности (r~10–4–102 кг/м3), энергии квантов в спектре поглощения (hn~0.1–1000 эВ).
2. Создан комплекс программ для автоматизированной системы научных и инженерных расчетов ионизационного состава, термодинамических, оптических и транспортных характеристик такой плазмы. Объектно-ориентированный подход и формат представления входной и выходной информации позволили сделать АСНИР ТОТ МГТУ-2008 МГТУ открытой для дальнейшего развития, поддерживать объемные базы данных и обеспечить широкие возможности ее использования в задачах численного моделирования и многопараметрического анализа рабочих процессов в плазменных энергетических установках высокой плотности мощности.
3. Решена задача по созданию Интернет-приложения по удаленному доступу к разработанному программному комплексу. Выполнен анализ Web-ресурсов сети Интернет как объектов проектирования и оптимизации, проведена декомпозиция информационного пространства, выполнен синтез страниц, организовано взаимодействие между программным комплексом и пользователем данного ресурса.
На уровне представления данных создан пользовательский интерфейс (web-сайт) с использованием технологии EXE CGI с компонентами навигации, позволяющими пользователям выбирать необходимые варианты расчетов, а также модифицировать входные данные для расчетов термодинамических, оптических и транспортных свойств плазмы сложного химического и ионизационного состава в широком диапазоне изменения ее параметров.
4. В результате массовых расчетов впервые получена широкомасштабная база данных по ионизационному составу, термодинамическим (давление, внутренняя энергия, энтальпия, энтропия, изобарная и изохорные теплоемкости, уравнения состояния, эффективный показатель адиабаты, адиабатическая скорость звука и др.), транспортным (электропроводность, теплопроводность, вязкость, коэффициенты диффузии и др.), оптическим (спектр коэффициентов поглощения, многогрупповые эмиссионные спектры по Планку и Росселанду, степени черноты и др.) характеристикам газово-плазменных рабочих сред энергетических установок высокой плотности мощности (в том числе – инертных газов, газовых смесей сложного химического состава, сложных диэлектриков, полимеров, композитов, металлов) в широком диапазоне параметров (температур T~10–1–103 эВ, плотностей (r~10–4–102 кг/м3) и энергии квантов (hn~ 10–1–103 эВ)
Достоверность результатов. Достоверность полученных результатов обеспечивается применением современных методик измерения и воспроизводимостью результатов, подтверждается сравнением экспериментальных и расчетных результатов с данными других авторов.
Практическая значимость результатов работы состоит в том, что полученные данные необходимы при проектировании широкого круга плазменных процессов и устройств. Разработанный комплекс методик и программ может быть использован для численного исследования термодинамических, оптических и транспортных характеристик равновесной многокомпонентной плазмы сложного химического и ионизационного состава, причем номенклатура плазмообразующих веществ ограничена только базой данных по энергетическим уровням атомов и ионов, которая на сегодняшний день включает данные для 30 элементов.
Личное участие автора заключается в проведении исследований и анализа по всем разделам работы, автор принимал равноправное участие в создании программного комплекса расчета термодинамических, оптических и переносных характеристик многокомпонентной плазмы, в проведении экспериментов, численного моделирования и в анализе полученных результатов.
На защиту выносятся:
– результаты численного исследования ионизационного состава, термодинамических функций, коэффициентов поглощения и транспортных характеристик равновесной плазмы газово-плазменных рабочих сред энергетических установок высокой плотности мощности (в том числе – инертных газов, газовых смесей сложного химического состава, сложных диэлектриков, полимеров, композитов, металлов) в широком диапазоне параметров (температур T~10–1–103 эВ, плотностей (r~10–4–102 кг/м3) и энергии квантов (hn~ 10–1–103 эВ);
– оптимизированный комплекс методик для массовых расчетов ионизационного состава, термодинамических функций, оптических и транспортных характеристик равновесной неидеальной многокомпонентной атомарной плазмы в широком диапазоне изменения основных параметров (концентрации, температуры, энергии квантов);
– программный комплекс удаленного расчёта (интернет-приложение) термодинамических, оптических и транспотрных характеристик многокомпонентной плазмы «ТОТ МГТУ-2008».
Апробация работы и публикации.
Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на I Международной научно-технической конференции «Аэрокосмические технологии», Москва, Россия, 2004 г.; Международном симпозиуме «Образование через науку», Москва, Россия, 2005 г.; V Int. Conf. Plasma Physics and Plasma Technology, Минск, 2006г.; конференции «Фундаментальные и прикладные проблемы современной физики», Москва, 2006 г; на научных семинарах МГТУ им. Н.Э. Баумана и ОИВТ РАН.
По материалам диссертации опубликовано 6 печатных работ.
Структура и объем работы.
Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и трех приложений, содержит 214 страницы текста, в том числе 63 рисунка, 25 таблиц, список использованной литературы включает 194 наименования.
